JP4562315B2 - セラミックヒータ、セラミックヒータの製造方法及びグロープラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックヒータ及びその製造方法に関し、さらにそのセラミックヒータを備えたグロープラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば図１に示すように、主体金具４にセラミックヒータ２０を保持させたグロープラグ５０が知られており、ディーゼルエンジン等の始動促進に使用されている。セラミックヒータ２０は、自身の内部に抵抗発熱体１１が埋設されたヒータ本体１と、該ヒータ本体１の外周面に取り付けられた金属外筒３とを備える。
【０００３】
ヒータ本体への通電は、主体金具の後端部に設けられた金属軸（電源に接続される）と、該金属軸及びヒータ本体を接続する金属リード部とを介して行われる。従来のセラミックヒータ型グロープラグを例にすると、ヒータ本体と金属リード部との接続は、例えば特開平１０−２０５７５３号公報あるいは特開２０００−３５６３４３号公報に開示されているように、金属リード部の先端部をコイル状に形成し、ヒータ端子が露出形成されたヒータ本体の後端部をその内側に挿入して、両者をろう付けすることにより行われてきた。また、ヒータ本体の他方の端子を、金属外筒を介して主体金具に接続し、グロープラグが取り付けられるエンジンブロックを介して接地する構造も多く採用されているが、この金属外筒もまた、ろう付けによりヒータ本体に接合されている。
【０００４】
しかしながら、ろう付けによる接合形態は、ろう材を挟み込む形で被接合材を組み立てる工程や、ろう材を溶融させる加熱工程など工数が多いため能率が悪い欠点がある。また、セラミックと金属リードあるいは金属外筒等の金属部材の接合であるため、高価な活性ろう材を使用しなければならず、さらにろう付けのための加熱温度や雰囲気等も調整が微妙であり、前記した工数増大の問題とも相俟って製造コストの高騰につながりやすい。そこで、特開２０００−３５６３４３号公報には、ヒータ本体の接地側端子への金属外筒の組み付けを焼き嵌めにより行なう方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ヒータ本体と金属外筒との組み付けを、例えば圧入嵌合により行う場合、ヒータ本体の金属外筒への圧入がスムーズに行えることが重要である。この際に、ヒータ本体の外径と金属外筒の内径との径差、いわゆる締め代が重要なパラメータとなる。締め代には、各々の部材を組み付ける前に測定される初期締め代と、一旦組み付けたのちに分解して測定される分解後締め代がある。主として、分解後締め代が小さすぎる場合には、緊束力が不足して十分な接合強度が得られない。逆に初期締め代が大きすぎる場合には、ヒータ本体の金属外筒への圧入がスムーズに行えず、自ずと圧入荷重が増大してヒータ本体に割れ、クラック等が生じ、接合がうまく行えない。
【０００６】
本発明の課題は、セラミック部材であるヒータ本体と金属外筒との圧入嵌合がスムーズに行えるセラミックヒータの製造方法と、その方法により製造されるセラミックヒータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のセラミックヒータの第１の構成は、
先端部と後端部を有して軸線に延びた棒状を呈し、自身の先端部の内部に抵抗発熱体が埋設されたヒータ本体と、前記ヒータ本体の外周面に、前記ヒータ本体の先端部と後端部とを露出させ、先端部からの圧入嵌合により取り付けられた金属外筒とを備え、
ヒータ本体の先端部の外周面に、先端に向かうほど径小となる形態で、軸線に対する傾斜角度が０．５°以上５０°以下のテーパ面が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
同じく第２の構成は、
先端部と後端部を有して軸線に延びた棒状を呈し、自身の先端部の内部に抵抗発熱体が埋設されたヒータ本体と、前記ヒータ本体の外周面に、前記ヒータ本体の先端部と後端部とを露出させ、先端部からの圧入嵌合により取り付けられた金属外筒とを備え、
前記ヒータ本体の先端部は、定径部と、該定径部に隣接して形成され先端に向かうほど径小となる曲率半径の異なる形態の曲面部とを含んで構成されており、
軸線に対して垂直な方向からの投影面に関し、
定径部におけるヒータ本体の半径の９５％の位置に、定径部でのヒータ本体の外形線と平行に基準線を描いたとき、該基準線よりも外側における曲面部の接線の基準線に対する傾斜角度の最大値が０．５°以上５０°以下となるように調整されていることを特徴とする。
【０００９】
さらに、上記第１の構成における本発明のセラミックヒータの製造方法は、
自身の内部に抵抗発熱体が埋設された棒状のヒータ本体と、該ヒータ本体の外周面に取り付けられた金属外筒とを備えたセラミックヒータの製造方法であって、
ヒータ本体の抵抗発熱体が埋設された一方の端部である先端部の外周面に、先端に向かうほど径小となるテーパ面を、そのテーパ面に金属外筒の挿入側端縁が当接する位置関係となるように形成する工程と、
先端部側から該ヒータ本体を金属外筒に圧入して嵌合させる工程を行うことを特徴とする。
【００１０】
第２の構成における本発明のセラミックヒータの製造方法は、
先端部と後端部を有して軸線に延びた棒状を呈し、自身の先端部の内部に抵抗発熱体が埋設されたヒータ本体と、該ヒータ本体の外周面に取り付けられた金属外筒とを備えるセラミックヒータの製造方法であって、
先端に向かうほど径小であって、ヒータ本体の定径部に隣接するとともに曲率半径の異なる形態を有するとともに、
軸線に対して垂直な方向からの投影面に関し、定径部におけるヒータ本体の半径の９５％の位置に、定径部でのヒータ本体の外形線と平行に基準線を描いたとき、該基準線よりも外側における自身の接線の基準線に対する傾斜角度の最大値が０．５°以上５０°以下となる曲面部を形成する工程と、
その曲面部の形成されている側からヒータ本体を金属外筒に圧入して嵌合させる工程とを行うことを特徴とする。
【００１１】
上記本発明のセラミックヒータの製造方法においては、ヒータ本体と金属外筒との接合方法は圧入嵌合としている。ヒータ本体の端部に、先端に向かうほど径小となる形態のテーパ面、あるいは曲面部が形成されていると、該ヒータ本体の金属外筒への圧入がスムーズに行え、割れやクラックの発生を抑制することができる。ひいては、ヒータ本体と金属外筒との接合を確実に行える。
【００１２】
また、本発明者らは、初期締め代が同一であっても傾斜角度（傾斜角度の最大値という概念を含む）が増大するにつれ、分解後締め代が減少していくことを発見した。そしてさらに検討を重ねた結果、傾斜角度が５０°を超えると、ヒータ本体と金属外筒とを圧入により組み付けたときに、分解後締め代が不足して十分な接合強度が得られなくなることを突き止め、本発明のセラミックヒータ及びその製造方法を発明するに至ったのである。傾斜角度が５０°を超えると、ヒータ本体を金属外筒へ圧入する際に必要な圧入荷重が著しく増大する。圧入荷重が増大すれば金属外筒に働く応力も増大し、塑性変形量も大きくなり、ひいては有意な大きさの分解後締め代が確保できず、気密性が低下する。
【００１３】
また、過剰な圧入荷重は、ヒータ本体の割れやクラックの発生を招く。例えばグロープラグは、エンジンの燃焼室内に露出する形で取り付けられ、頻繁に受熱／冷却のサイクルが繰り返されるため、圧入時に生じた微小なクラックでさえヒータ本体の破損を招く恐れがある。
【００１４】
他方、０．５°を下回る傾斜角度に、テーパ面あるいは曲面部を形成しても、圧入を行い易くする効果の一層の向上は望めない。また、圧入時に金属外筒の端縁が、まず傾斜部分に当接するように設計するには、傾斜角度を小さくすればするほど軸線方向への研磨領域を広げなければならない。すなわち、加工が難しくなりコストの増大を免れないので望ましくない。加工コスト、及び圧入を行い易くする効果を考慮したとき、傾斜角度は０．５°以上３０°以下とするのがより一層望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明のセラミックヒータをグロープラグに適用した例であり、その内部構造とともに示すものである。また、図２は、その要部を拡大して示すものである。該グロープラグ５０は、セラミックヒータ２０と、これに結合された主体金具４とを有する。セラミックヒータ２０において、ヒータ本体１は棒状の形態を有し、自身の先端部２に抵抗発熱体１１が埋設されている。金属外筒３はヒータ本体１を、後端部及び先端部２をそれぞれ軸線Ｏ方向において突出させる形で自身の内側に保持している。また、抵抗発熱体１１に通電するための第一ヒータ端子１２ａが自身の後端部外周面に露出形成されている。また、主体金具４は、セラミックヒータ２０の外側を同軸的に覆う筒状に形成されている。
【００１６】
次に、主体金具４の外周面には、図示しないエンジンブロックにグロープラグ５０を固定するための、取付部としてのねじ部５が形成され、後端部には金属軸６が取り付けられている。該金属軸６は棒状の形態をなし、主体金具４の後端部内側に軸線Ｏ方向に挿入されるとともに、該軸線Ｏ方向において自身の先端面６５がヒータ本体１の後端面２ｒと対向する形で配置されている。他方、リング配置隙間Ｇにおいてヒータ本体１の後端部外周面には、第一ヒータ端子１２ａと導通する金属製の端子リング１４が、締まり嵌め状態にて該第一ヒータ端子１２ａを覆うように取り付けられている。そして、金属軸６と第一ヒータ端子１２ａとは、一端が端子リング１４に結合され、他端が金属軸６に結合された金属リード部１７により、電気的に接続されている。金属リード部１７はこの端子リング１４に金属／金属接合により取り付けられるので、金属／セラミックのろう付け構造や、金属リード部１７のヒータ本体１への埋め込み接合といった、工数を要する複雑な構造が排除され、安価に製造可能である。また、端子リング１４をヒータ本体１に締り嵌めにより嵌合させるので、ろう付けによる従来構造のようにろう材層が介在せず、金属軸６と端子リング１４との同軸度を確保しやすい。これにより、金属リード部１７と、金属軸６あるいは端子リング１４との接合面にずれ等を生じにくくなり、ひいては良好で高強度の接合部を形成できる。
【００１７】
ヒータ本体１の外周面には、軸線Ｏ方向において第一ヒータ端子１２ａよりも前方側に、抵抗発熱体１１に通電するための第二ヒータ端子１２ｂが露出形成されている。そして、該第二ヒータ端子１２ｂを覆うとともにこれと導通する円筒状の金属外筒３が、ヒータ本体１の後端部を自身の後方側に突出させた状態にて、該ヒータ本体１の外周面に圧入嵌合により取り付けられ、セラミックヒータ２０を形成している。
【００１８】
上記の構成によると、主体金具４とヒータ本体１との間に介挿された金属外筒３をスペーサとすることで、該金属外筒３よりも後方側に突出させたヒータ本体１の後端部外周面と、主体金具４のヒータ保持面４ａよりも後方側の内周面との間に適度な隙間を形成することができる。これにより、ヒータ本体１の後端部に端子リング１４を配置することが一層容易となる。
【００１９】
なお、図９に示すように、主体金具４と金属外筒３（破線部）とを兼用した構成を採用することも可能である。セラミックヒータ２０における金属外筒３と、主体金具４とを一体に形成することにより、ヒータ本体１を主体金具４に直接圧入できる。この場合、部品点数を少なくできるという点において有利である。
【００２０】
次に、主体金具４と金属外筒３との組み付け形態については、例えば両者の内外周面の隙間を充填する形でろう付けするか、あるいは主体金具４の先端側開口内縁と金属外筒３の外周面とを全周レーザー溶接する形で固定するようにしてもよいが、本実施形態では、主体金具４もヒータ保持面４ａにおいて、金属外筒３の外周面に締まり嵌め状態にて取り付けるようにしている。これにより、グロープラグ５０の組立て工程を一層簡略化することができる。また、主体金具４の金属外筒３に対する嵌合面（ヒータ保持面４ａ）が、金属外筒３とヒータ本体１との嵌合面と重なる形となるので、ヒータ本体１に対する金属外筒３の緊束力に主体金具４の緊束力が重畳され、セラミックヒータ２０における嵌合の信頼性を一層高めることができる。
【００２１】
ヒータ本体１への端子リング１４及び金属外筒３の組み付けは、例えば図６に示すように、端子リング１４あるいは金属外筒３をヒータ本体１に対し、端部から軸線Ｏ方向に挿入しつつ圧入する方法で組み付けることができる。このうち、端子リング１４については、第一ヒータ端子１２ａとの導通が確保できる程度の緊束力が得られればよい。他方、金属外筒３については、第二ヒータ端子１２ｂとの導通確保に加え、嵌合面における気密性を確保する必要があることから、端子リング１４よりは強い緊束力が求められる。いずれも、室温ではもちろん、各部に熱膨張が生ずるヒータ本体１の温度上昇時においても、必要十分な緊束力が確保されていることが重要である。一般に、セラミックと金属を比較した場合、インバーなどの特殊な合金を除けば、金属のほうが線膨張係数が高く、端子リング１４及び金属外筒３は昇温時には緊束力が緩みやすくなる傾向にある。
【００２２】
この場合、材質や肉厚ｔによっても昇温時に確保される緊束力のレベルは異なるが、図７に示すように、ヒータ本体１から端子リング１４あるいは金属外筒３を取り外した分解状態において、端子リング１４の内径をＤ１、同じく該分解状態における第一ヒータ端子１２ａの形成位置でのヒータ本体１の外径をＤ２として、Ｄ２−Ｄ１（以下、端子リング１４の分解後締め代という：本明細書では、室温状態での値を意味する）が、８μｍ以上であって端子リング１４の取付位置におけるヒータ本体１の外径の２％以下の範囲に調整されていることが望ましい。
【００２３】
また、ヒータ本体１から金属外筒３を取り外した分解状態にて測定される金属外筒３の内径をｄ１、同じくヒータ本体１の外径をｄ２として、そのｄ２−ｄ１（以下、金属外筒３の分解後締め代という：本明細書では、室温状態での値を意味する）も同様に、８μｍ以上であって金属外筒３の取付位置におけるヒータ本体１の外径の２％以下の範囲に調整されていることが望ましい。
【００２４】
上記分解後締め代は、ヒータ本体１から取り外したときの端子リング１４及び金属外筒３の弾性復帰量、つまり、それらによるヒータ本体１への弾性緊束力を反映したパラメータと見ることができる。該分解後締め代が８μｍ未満では、前記温度範囲に金属外筒３あるいは端子リング１４が昇温したとき、必要な緊束力が確保できなくなる。例えば、端子リング１４においては第一ヒータ端子１２ａとの接触抵抗の増大が、金属外筒３においては第二ヒータ端子１２ｂとの接触抵抗の増大が、具体的な不具合として発生することにつながる。他方、分解後締め代が、端子リング１４あるいは金属外筒３の位置におけるヒータ本体１の外径の２％（例えば、該外径が３．５ｍｍの場合、７０μｍ）を超えると、ヒータ本体１に過剰な緊束力が作用し、割れやクラック等の発生につながる場合がある。なお、金属外筒３及び端子リング１４の肉厚が小さい場合は、それら自体の塑性変形量が増加するため、分解後締め代を上記上限値以上に設定することが本質的に不可能な場合がある。なお、上記分解後締め代Ｄ２−Ｄ１あるいはｄ２−ｄ１は、より望ましくは１５〜４０μｍの範囲に調整するのがよい。また、同じ分解後締め代の値であっても、弾性緊束力の値を高める観点においては肉厚が大きい方がより有利である。
【００２５】
次に、図３に、セラミックヒータ２０における軸線Ｏ方向と垂直な方向からのヒータ本体１の先端部２の拡大投影図を示す。図に示されるように、ヒータ本体１の先端部２には、先端に向かうほど径小となる形態で、軸線Ｏに対してθ°傾いたテーパ面２ｐが形成されている。すなわち、先端部２は、テーパ面２ｐとそのテーパ面２ｐに続く球面状の丸め部２ｍとを含むものとして形成されている。テーパ面２ｐに隣接し、丸め部２ｍとは反対側に位置する外周面は、軸線Ｏと平行な円筒面とされ、ヒータ本体１における定径部を形成している。
【００２６】
本発明のセラミックヒータ２０の製造方法においては、ヒータ本体１を金属外筒３に圧入して接合する。上記のごとくヒータ本体１の先端部２にテーパ面２ｐが形成されていると、該ヒータ本体１の金属外筒３への挿入がスムーズに行え、割れやクラックの発生を抑制することができる。軸線Ｏに対するテーパ面２ｐの傾斜角度θは、０．５°以上５０°以下に調整されているとよい。傾斜角度が５０°を超えると、ヒータ本体１を金属外筒３へ圧入する際に必要な圧入荷重が著しく増大し、割れやクラックの発生を招くので望ましくない。他方、０．５°を下回ると、圧入をスムーズに行えるようにする効果の向上はそれ以上望めないことに加え、加工も難しくなり、コストが増大するので望ましくない。
【００２７】
また、前述したテーパ面２ｐを設けた場合と同様の効果を得るために、以下のように構成し、さらに調整することができる。すなわち、図１０に示すように、ヒータ本体１の軸線Ｏ方向における少なくとも一方の端部を、定径部１ｐと、該定径部１ｐに隣接して形成され先端に向かうほど径小となる曲率半径の異なる形態の曲面部１ｑとを含むように構成する。この場合、軸線Ｏに対して垂直な方向からの投影面（図１０である）に関し、定径部１ｐにおけるヒータ本体１の半径の９５％の位置に、定径部１ｐでのヒータ本体１の外形線と平行に基準線ＰＬを描いたとき、該基準線ＰＬよりも外側（軸線Ｏと反対側）における曲面部１ｑの接線の基準線ＰＬに対する傾斜角度の最大値ωが０．５°以上５０°以下となるように調整する。
【００２８】
ヒータ本体１を金属外筒３へ、上記曲面部１ｑが形成されている側から圧入するとき、曲面部１ｑの上記基準線ＰＬ近傍に金属外筒３の内周縁がまず当接する。金属外筒３の内周縁が、半径の９５％位置にある上記基準線ＰＬよりも大きく内側に当接するように設定された場合には、上記接線の傾斜角度に関係なく、圧入が困難になりやすい。また、曲率を異ならせることにより、定径部１ｐとの段差発生を防ぐための加工を容易に行うことができる。
【００２９】
また、後述する実施例においても明らかにされるとおり、初期締め代が全く同一でもテーパ面２ｐの傾斜角度が異なれば、圧入に必要な荷重も異なり、ヒータ本体１と金属外筒３とを組み付けたのちに分解して測定される分解後締め代も異なってくる。すなわち、テーパ面２ｐの傾斜角度は、金属外筒３の塑性変形量及び弾性変形量を支配する１つのパラメータであると同時に、ヒータ本体１と金属外筒３との接合強度を左右するパラメータである。
【００３０】
図４に、ヒータ本体１を金属外筒３に圧入する際の模式図を示す。まず図４（ａ）は、テーパ面２ｐが概ね２０°〜３０°に調整されたヒータ本体１を金属外筒３に圧入する際に、金属外筒３に働く応力の分布Ｗが模式的に示される。図４（ｂ）には、テーパ面が５０°よりも大きく調整されたヒータ本体１を金属外筒３に圧入する際に、金属外筒３に働く応力の分布Ｗが模式的に示される。それぞれの図に示されるように、ヒータ本体１の外径のほうが、金属外筒３の内径よりも大きく設計されているので、テーパ面２ｐが金属外筒３に当接して、その近傍に応力Ｗが働く。テーパ面２ｐの傾斜角度が大きくなれば、圧入荷重が増加し、その分金属外筒３に懸かる力も大きくなる。そして、各々図４（ａ’）及び図４（ｂ’）に示すように、作用する力が大きくなると金属外筒３の塑性変形量が増加するとともに、その分弾性変形量が小さくなり、金属外筒３がヒータ本体１を保持するため緊束力が十分に働かなくなる。なお、テーパ面２ｐの傾斜角度は、０．５°以上３０°以下であることがより望ましい。
【００３１】
端子リング１４及び金属外筒３の材質としては、高温強度と材料コストとのバランスを考慮して、一定以上の硬さ及び耐熱性を有したＦｅ系合金を使用することが望ましい。特に、分解後締め代を高めて弾性緊束力を十分に確保するためには、ビッカース硬さ（ＪＩＳ：Ｚ２２４４（１９９８）に規定の方法により荷重１０Ｎにて測定した値）Ｈｖが１７０以上（望ましくは３５０以上）のＦｅ系合金の使用が推奨される。このようなＦｅ系合金として、ＳＵＳ６３０あるいはＳＵＳ６３１等の析出硬化系ステンレス鋼を好適に使用できる。例えばＳＵＳ６３０は、ＪＩＳＧ４３０３（１９８８）に規定されたＨ９００、Ｈ１０２５、Ｈ１０７５あるいはＨ１１０５のいずれかの熱処理により時効析出硬化させることができ、特にＨ９００処理を行ったものはＨｖ３５０以上を確保できる。他方、ＳＵＳ６３１は同規格のＴＨ１０５０あるいはＲＨ９５０の熱処理により時効析出硬化させることができ、いずれもＨｖ３５０以上を確保できる。また、硬さの点では若干劣るが、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼を使用することもできる。
【００３２】
なお、より高い耐熱性を確保し、また、高温での緊束力低下をさらに抑制することが要求される場合には、鉄基超耐熱合金（例えばインコロイ９０９（インコ社の商品名））の時効硬化品、Ｎｉ基超耐熱合金（例えばワスパロイ（ユナイテッド テクノロジー社の商品名））の時効硬化品、あるいは非時効硬化型のＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５（インコ社の商品名））の加工硬化品等を使用することも可能である。ただし、これらの材質は高価であり、グロープラグの通常の使用環境であって、端子リング１４の到達温度が５０〜２００℃程度、金属外筒３の到達温度が５００〜７００℃程度である場合は、前記した析出硬化型ステンレス鋼など、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＮｂあるいはＡｌなど、マトリックス固溶強化あるいは析出物形成のために添加する合金元素の合計含有量が、５０質量％以下の範囲に制限されたＦｅ系合金にて構成することが望ましい。ただし、これらの合計含有量は、高温強度あるいは耐食性確保の観点から、２０質量％以上は添加されていることが望ましい。
【００３３】
図２に示すように、金属リード部１７は、金属軸６と端子リング１４との間で屈曲した形で配置されている。これにより、ヒータ本体１の発熱により加熱／冷却サイクルが加わった場合でも、金属リード部１７は、その屈曲部分で膨張／収縮を吸収することができ、ひいては金属リード部１７と端子リング１４との接合部に過度の応力が集中して接触不良や断線等の不具合が生ずることを防止できる。他方、金属リード部１７と金属軸６との接合を容易にかつ強固に行なうために、金属リード部１７の金属軸６との接合端部が金属軸６の外周面先端部に対し、平面状の接合面をもって結合されている。例えば、金属リード部１７と金属軸６とを抵抗溶接により接合する場合、接合面を平面状としておくことは、抵抗溶接時の加圧力を均等に付加し、欠陥の少ない溶接部を形成する上でも有利となる。
【００３４】
他方、金属リード部１７と端子リング１４との接合は、端子リング１４をヒータ本体１に圧入等により組み付ける際に邪魔とならないように、先に端子リング１４をヒータ本体１に組み付けておいてから、その組み付けられた端子リング１４の例えば外周面に金属リード部１７の末端部を接合することが望ましい。この場合、その接合方法としては、抵抗溶接を採用できる。
【００３５】
次に、ヒータ本体１は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体１３中に抵抗発熱体１１が埋設された棒状のヒータ素子として構成されている。本実施形態においては、ヒータ本体１は、絶縁性セラミックからなるセラミック基体１３中に導電性セラミックからなるセラミック抵抗体１０が埋設されたものとして構成されている。セラミック抵抗体１０は、ヒータ本体１の先端部に配置される第一導電性セラミックからなり、抵抗発熱体として機能する第一抵抗体部分１１と、各々該第一抵抗体部分１１の後方側において、ヒータ本体１の軸線Ｏ方向に延伸する形で配置され、先端部が第一抵抗体部分１１の通電方向における両端部にそれぞれ接合されるとともに、第一導電性セラミックよりも抵抗率が低い第二導電性セラミックからなる１対の第二抵抗体部分１２，１２とを有する。そして、セラミック抵抗体１０の１対の第二抵抗体部分１２，１２には、それぞれ軸線Ｏ方向における互いに異なる位置に分岐部が形成され、それら分岐部の、ヒータ本体１の表面への露出部が、それぞれ第一ヒータ端子１２ａ及び第二ヒータ端子１２ｂを形成してなる。
【００３６】
なお、抵抗発熱体１１への通電は、例えば図８に示すように、セラミック基体１３中に埋設されるＷ等の高融点金属線材からなる埋設リード線１８，１９を介して行なうこともできる。この場合、第一ヒータ端子は埋設リード線１８の、また第二ヒータ端子は埋設リード線１９の、各露出部１８ａ及び１９ａとして形成される。
【００３７】
次に、セラミック基体１３を構成する絶縁性セラミックとして、本実施形態では窒化珪素質セラミックが採用されている。窒化珪素質セラミックの組織は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする主相粒子が、後述の焼結助剤成分等に由来した粒界相により結合された形態のものである。なお、主相は、ＳｉあるいはＮの一部が、ＡｌあるいはＯで置換されたもの、さらには、相中にＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｙ等の金属原子が固溶したものであってもよい。
【００３８】
窒化珪素質セラミックには、周期律表の３Ａ、４Ａ、５Ａ、３Ｂ（例えばＡｌ）及び４Ｂ（例えばＳｉ）の各族の元素群及びＭｇから選ばれる少なくとも１種を前記のカチオン元素として、焼結体全体における含有量にて、酸化物換算で１〜１０質量％含有させることができる。これら成分は主に酸化物の形で添加され、焼結体中においては、主に酸化物あるいはシリケートなどの複合酸化物の形態にて含有される。焼結助剤成分が１質量％未満では緻密な焼結体が得にくくなり、１０質量％を超えると強度や靭性あるいは耐熱性の不足を招く。焼結助剤成分の含有量は、望ましくは２〜８質量％とするのがよい。焼結助剤成分として希土類成分を使用する場合、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを用いることができる。これらのうちでもＴｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂは、粒界相の結晶化を促進し、高温強度を向上させる効果があるので好適に使用できる。
【００３９】
次に、セラミック抵抗体１０を構成する第一抵抗体部分１１及び第二抵抗体部分１２，１２は、前記した通り電気抵抗率の異なる導電性セラミックにて構成されている。両導電性セラミックの電気抵抗率を互いに異なるものとする方法は特に限定されず、例えば、
▲１▼同種の導電性セラミック相を用いつつ、その含有量を互いに異ならせる方法；
▲２▼電気抵抗率の異なる異種の導電性セラミック相を採用する方法；
▲３▼▲１▼と▲２▼の組合せによる方法；
等、種々例示できるが、本実施形態では▲１▼の方法を採用している。
【００４０】
導電性セラミック相としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）、二珪化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）及び二珪化タングステン（ＷＳｉ_２）等、周知のものを採用できる。本実施形態ではＷＣを採用している。なお、セラミック基体１３との線膨張係数差を縮小して耐熱衝撃性を高めるために、セラミック基体１３の主成分となる絶縁性セラミック相、ここでは窒化珪素質セラミック相を配合することができる。従って、絶縁性セラミック相と導電性セラミック相との含有比率を変化させることにより、抵抗体部分を構成する導電性セラミックの電気抵抗率を所望の値に調整することができる。
【００４１】
具体的には、抵抗発熱部をなす第一抵抗体部分１１の材質である第一導電性セラミックは、導電性セラミック相の含有率を１０〜２５体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が２５体積％を超えると、導電率が高くなりすぎて十分な発熱量が期待できなくなり、１０体積％未満になると逆に導電率が低くなりすぎ、同様に発熱量が十分に確保できなくなる。
【００４２】
他方、第二抵抗体部分１２，１２は、その第一抵抗体部分１１に対する導通経路となるものであり、その材質である第二導電性セラミックは導電性セラミック相の含有率を１５〜３０体積％、残部を絶縁性セラミック相とするのがよい。導電性セラミック相の含有率が３０体積％を超えると焼成による緻密化が困難となり、強度不足を招きやすくなるほか、エンジン予熱のために通常使用される温度域に到達しても電気抵抗率の上昇が不十分となり、電流密度を安定化させるための自己飽和機能が実現できなくなる場合がある。他方、１５体積％未満では第二抵抗体部分１２，１２での発熱が大きくなりすぎて、第一抵抗体部分１１の発熱効率が悪化することにつながる。本実施形態では、第一導電性セラミック中のＷＣの含有率を１６体積％（５５質量％）、第二導電性セラミック中のＷＣの含有率を２０体積％（７０質量％）としている（残部いずれも窒化珪素質セラミック（焼結助剤含む）。
【００４３】
本実施形態においてセラミック抵抗体１０は、第一抵抗体部分１１がＵ字形状をなし、そのＵ字底部がヒータ本体１の先端側に位置するように配置され、第二抵抗体部分１２，１２は、該Ｕ字形状の第一抵抗体部分１１の両端部からそれぞれ軸線Ｏ方向に沿って後方に延伸する、互いに略平行な棒状部とされている。
【００４４】
セラミック抵抗体１０において第一抵抗体部分１１は、動作時に最も高温となるべき先端部１１ａに対して電流を集中するために、該先端部１１ａを両端部１１ｂ、１１ｂよりも細径としている。そして、第二抵抗体部分１２，１２との接合面１５は、その先端部１１ａよりも径大となった両端部１１ｂ、１１ｂに形成されている。
【００４５】
なお、図８のように、埋設リード線１８，１９をセラミック中に配置する構造では、高温下でヒータ駆動用の電圧を印加したときに、埋設リード線１８，１９を構成する金属原子が、その電界勾配による電気化学的な駆動力を受けてセラミック側に強制拡散する、いわゆるエレクトロマイグレーション効果によって消耗し、断線等を生じやすくなる場合がある。しかし、図２の構成では埋設リード線が廃止されていることから、上記エレクトロマイグレーション効果の影響を本質的に受けにくい利点がある。
【００４６】
次に、図１に示すように、主体金具４の後端部内側には、前述の通り、ヒータ本体１に電力を供給するための金属軸６が主体金具４と絶縁状態にて配置されている。本実施形態では、金属軸６の後端側外周面と主体金具４の内周面との間にセラミックリング３１を配置し、その後方側にガラス充填層３２を形成して固定する形としている。なお、セラミックリング３１の外周面には、径大部の形でリング側係合部３１ａが形成され、主体金具４の内周面後端寄りに、周方向段部の形で形成された金具側係合部４ｅに係合することで、軸線方向前方側への抜け止めがなされている。また、金属軸６のガラス充填層３２と接触する外周面部分には、ローレット加工等による凹凸が施されている（図では網掛けを描いた領域）。さらに、金属軸６の後端部は主体金具４の後方に延出し、その延出部に絶縁ブッシュ８を介して端子金具７がはめ込まれている。該端子金具７は、周方向の加締め部９により、金属軸６の外周面に対して導通状態で固定されている。
【００４７】
グロープラグ５０は、主体金具４の取付部５において、ヒータ本体１の先端部２が燃焼室内に位置するようにディーゼルエンジンに取り付けられる。そして、端子金具７を電源に接続することで、金属軸６→金属リード１７→端子リング１４→セラミックヒータ２０（ヒータ本体１→金属外筒３）→主体金具４→（エンジンブロックを介して接地）の順序で電流が流れ、ヒータ本体１の先端部２が発熱して、燃焼室内の予熱を行なうことができる。
【００４８】
以下、セラミックヒータ２０の製造方法について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、セラミック抵抗体１０となるべき抵抗体粉末成形部３４を、射出成形により作成する。また、セラミック基体１３を形成するための原料粉末を予め金型プレス成形することにより、上下別体に形成された基体成形体としての分割予備成形体３６，３７を用意しておく。これら分割予備成形体３６，３７には、上記抵抗体粉末成形部３４に対応した形状の凹部３７ａ（分割予備成形体３６側の凹部は図面に表れていない）をその合わせ面に形成しておき、ここに抵抗体粉末成形部３４を収容して分割予備成形体３６，３７を上記合わせ面において嵌め合わせ、さらにプレス・圧縮することにより、図５（ｂ）に示すように、これらが一体化された複合成形体３９を作る。
【００４９】
こうして得られた複合成形体３９を脱バインダ処理後、ホットプレス等により１７００℃以上、例えば約１８００℃前後で焼成することにより、焼成体とし、さらに外周面を円筒状に研磨にするとともに、一方の端部における外周面に、端に向かうほど径小となるテーパ面２ｐを研磨加工により形成して、ヒータ本体１を得る。なお、テーパ面２ｐは、ヒータ本体１を金属外筒３に圧入する際に、そのテーパ面２ｐが金属外筒３の挿入側端縁に当接する位置関係となるように形成されるものである。そして、図６に示すように、該ヒータ本体１をテーパ面２ｐの形成されている先端部２側から金属外筒３に圧入して嵌合させ、本発明のセラミックヒータ２０を得る。金属リード部１７及び主体金具４などの必要な部品を組み付ければ、セラミックヒータ２０を備えたグロープラグ５０が得られる。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験について説明する。
まず、図１に示す形態のヒータ本体１を、上記説明した方法により作製した。ただし、ヒータ本体１の長さは４０ｍｍ、外径は３．５ｍｍであり、第二抵抗体部分１２，１２の太さは１．０ｍｍ、さらに第一ヒータ端子１２ａ及び第二ヒータ端子１２ｂは、各々直径０．８ｍｍの円状領域とした。
【００５１】
他方、前記したＳＵＳ６３０（Ｈ９００時効硬化処理品：Ｈｖ＝約４００）を用いて金属外筒３を作製した。金属外筒３の肉厚は０．９ｍｍとし、その内径ｄ１ｉを３．４ｍｍ、初期締め代が１００μｍとなるように設定した。金属外筒３の軸線Ｏ方向への長さは２０ｍｍにした。実験１では、ヒータ本体１の先端部２には、前述したように外周研磨によりテーパ面２ｐを設けた。なお、比較例として、テーパ面２ｐの傾斜角度が０．１°，５２°及び６０°に調整されたセラミックヒータも作製した。また、実験２では、ヒータ本体１の先端部２に楕円形状の曲面部１ｑを外周研磨により形成した。実験２における比較例として、前述した傾斜角度の最大値が０．１°，５２°及び６０°に調整したものも作製した。
【００５２】
そして、上記金属外筒３を、ヒータ本体１の所定位置に圧入により組み付け、セラミックヒータ２０を作製した。圧入速度は、いずれの試料に対しても５ｍｍ／ｍｉｎとした。また、各々の試料について金属外筒３の圧入時に必要とされた荷重も測定した。なお、圧入時において金属外筒３の内面には潤滑剤（パスキンＭ３０（商品名：共栄社化学（株）社）を適量塗布し、圧入後に３００℃にて該潤滑剤の分解処理を行なっている。
【００５３】
そして、第一ヒータ端子及び金属外筒３間の直列抵抗を４端子法により測定し、予め測定済みのヒータ本体１の固有抵抗を減ずることにより金属外筒３と第二ヒータ端子１２ｂとの接触抵抗を測定し、良好な導通が得られているか否か判断した。１０ｍΩ未満のものを○、１０ｍΩ以上５０ｍΩ未満のものを△、５０ｍΩ以上のものを×として判定した。接触抵抗測定が終了後、セラミックヒータ２０のそれぞれを、主体金具４に圧入嵌合にて取り付けてグロープラグ５０を作製した。その各々についてＪＩＳ−Ｄ５１０３に規定された気密漏洩試験を行った（試験条件は４ＭＰａ，１５秒）。漏れが検出されなかった場合に○、０．２５ｃｃ未満の場合に△、０．２５ｃｃ以上の場合に×とした。
【００５４】
その後、主体金具４からセラミックヒータ２０を取り外し、さらに金属外筒３をヒータ本体１から取り外し、金属外筒３とヒータ本体１とのあいだの分解後締め代を測定した。なお、分解後締め代は、端子リングの取り外しを行なうことができたものは、直接測定して分解後締め代を算出した。他方、主体金具４あるいは金属外筒３の取り外しが困難であったものは、以下のようにして測定を行なった。まず、グロープラグ５０を内側のヒータ本体１とともに縦に２つに切断して分解し、切断後の金属外筒３とヒータ本体１との各断片の内周面及び外周面形状をレーザー式３次元形状測定機にて測定した。そして、その測定プロファイルから各周面の弧状の外形線断片を抽出し、それら外形線断片を円周補間して切断前の周面を推定復元し、該復元された各周面の内径及び外径から分解後締め代を算出した。以上の結果を表１及び表２に示す。また表１及び表２の要部を図１１及び図１２にグラフ化した。
【００５５】
【表１】

【００５６】
【表２】

【００５７】
傾斜角度を５０°よりも大きく設定した比較例においては、グロープラグ５０に組み付けたときの気密性を確保することができなかった。他方、傾斜角度をテーパ面２ｐを設けた場合で４０°以下、曲面部１ｑを設けた場合で４５°以下とすることにより、分解後締め代の値を８μｍ以上に確保することができ、さらに接触抵抗値を減少させることができ、良好な導通状態が得られた。これは、圧入荷重が大きすぎるため金属外筒３の塑性変形量が増大し、緊束力が不足した結果であると考えられる。さらに、分解後締め代のより望ましい値である１５〜４０μｍが確保されているものについていうと、テーパ面２ｐの傾斜角度が０．５°〜３０°に調整されたセラミックヒータ２０である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックヒータを備えるグロープラグを示す縦断面図。
【図２】図１の要部を示す縦断面図。
【図３】軸線方向と垂直な方向からのヒータ本体の先端部の拡大投影図。
【図４】ヒータ本体を金属外筒に圧入する際の模式図。
【図５】ヒータ本体の製造工程の説明図。
【図６】図５に続く説明図。
【図７】分解後締め代の算出に使用する部位を説明する図。
【図８】図１のグロープラグの第一変形例を示す要部縦断面図。
【図９】同じく第二変形例を示す要部縦断面図。
【図１０】ヒータ本体の別形態を示す図３と同様の投影図。
【図１１】実験結果の要部を示すグラフ
【図１２】同じく図１１に続くグラフ。
【符号の説明】
１ ヒータ本体
２ 先端部
３ 金属外筒
１１ 抵抗発熱体
２０ セラミックヒータ
１ｐ 定径部
１ｑ 曲面部
２ｐ テーパ面
２ｍ 丸め部
Ｏ 軸線
ＰＬ 基準線

Claims (8)

1. 先端部（２）と後端部を有して軸線（Ｏ）に延びた棒状を呈し、自身の前記先端部（２）の内部に抵抗発熱体（１１）が埋設されたヒータ本体（１）と、前記ヒータ本体（１）の外周面に、前記ヒータ本体の前記先端部（２）と前記後端部とを露出させ、当該先端部（２）からの圧入嵌合により取り付けられた金属外筒（３）とを備え、
   前記ヒータ本体（１）の前記先端部（２）の外周面に、先端に向かうほど径小となる形態で、前記軸線（Ｏ）に対する傾斜角度が０．５°以上５０°以下のテーパ面（２ｐ）が形成されていることを特徴とするセラミックヒータ（２０）。
2. 前記先端部（２）は前記テーパ面（２ｐ）とそのテーパ面（２ｐ）に続く球面状の丸め部（２ｍ）とを含むものとされる請求項１記載のセラミックヒータ（２０）。
3. 先端部（２）と後端部を有して軸線（Ｏ）に延びた棒状を呈し、自身の前記先端部（２）の内部に抵抗発熱体（１１）が埋設されたヒータ本体（１）と、前記ヒータ本体（１）の外周面に、前記ヒータ本体の前記先端部（２）と前記後端部とを露出させ、当該先端部（２）からの圧入嵌合により取り付けられた金属外筒（３）とを備え、
   前記ヒータ本体（１）の前記先端部（２）は、定径部（１ｐ）と、該定径部（１ｐ）に隣接して形成され先端に向かうほど径小となる曲率半径の異なる形態の曲面部（１ｑ）とを含んで構成されており、
   前記軸線（Ｏ）に対して垂直な方向からの投影面に関し、
   前記定径部（１ｐ）における前記ヒータ本体（１）の半径の９５％の位置に、前記定径部（１ｐ）での前記ヒータ本体（１）の外形線と平行に基準線（ＰＬ）を描いたとき、該基準線（ＰＬ）よりも外側における前記曲面部（１ｑ）の接線の前記基準線（ＰＬ）に対する傾斜角度の最大値が０．５°以上５０°以下となるように調整されていることを特徴とするセラミックヒータ（２０）。
4. 前記ヒータ本体（１）から前記金属外筒（３）を取り外した分解状態おいて、前記金属外筒（３）の内径をｄ１、前記ヒータ本体（１）の外径をｄ２としてそのｄ２−ｄ１が、８μｍ以上であって前記金属外筒（３）の取付位置における前記ヒータ本体（１）の外径の２％以下の範囲に調整されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセラミックヒータ（２０）。
5. 前記傾斜角度、あるいは前記傾斜角度の最大値が０．５°以上３０°以下に調整されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセラミックヒータ（２０）。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセラミックヒータ（２０）を備えたグロープラグ。
7. 自身の内部に抵抗発熱体（１１）が埋設された棒状のヒータ本体（１）と、該ヒータ本体（１）の外周面に取り付けられた金属外筒（３）とを備えるセラミックヒータ（２０）の製造方法であって、
   前記ヒータ本体（１）の前記抵抗発熱体（１１）が埋設された一方の端部である先端部（２）の外周面に、先端に向かうほど径小となるテーパ面（２ｐ）を、そのテーパ面（２ｐ）に前記金属外筒（３）の挿入側端縁が当接する位置関係となるように形成する工程と、
   前記先端部（２）側から該ヒータ本体（１）を前記金属外筒（３）に圧入して嵌合させる工程とを行うことを特徴とするセラミックヒータ（２０）の製造方法。
8. 先端部（２）と後端部を有して軸線（Ｏ）に延びた棒状を呈し、自身の前記先端部（２）の内部に抵抗発熱体（１１）が埋設されたヒータ本体（１）と、該ヒータ本体（１）の外周面に取り付けられた金属外筒（３）とを備えるセラミックヒータ（２０）の製造方法であって、
   先端に向かうほど径小であって、前記ヒータ本体（１）の定径部（１ｐ）に隣接するとともに曲率半径の異なる形態を有するとともに、
   前記軸線（Ｏ）に対して垂直な方向からの投影面に関し、前記定径部（１ｐ）における前記ヒータ本体（１）の半径の９５％の位置に、前記定径部（１ｐ）での前記ヒータ本体（１）の外形線と平行に基準線（ＰＬ）を描いたとき、該基準線（ＰＬ）よりも外側における自身の接線の前記基準線（ＰＬ）に対する傾斜角度の最大値が０．５°以上５０°以下となる曲面部（１ｑ）を形成する工程と、
   その曲面部（１ｑ）の形成されている側から前記ヒータ本体（１）を前記金属外筒（３）に圧入して嵌合させる工程とを行うことを特徴とするセラミックヒータ（２０）の製造方法。

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